JP3817630B2 - Two-dimensional angle sensor - Google Patents

Description

ただし、Ｌは試料面からスクリーンまでの距離である。
しかし、この方法には、試料面からスクリーンまでの距離Ｌが変化した場合は測定結果に誤差が生じてしまう問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、高精度で小型の２次元角度センサを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、検出対象に光ビームを投光するための光源と、前記光ビームによる前記検出対象からの反射光の光路中に設けたレンズとを有する２次元角度を検出する２次元角度センサにおいて、前記レンズの焦点付近に設けたＮ×Ｎ（Ｎ≧３）に等分割されたフォトダイオードによる検出素子を備え、前記光源からの光ビームは四角形又はそれに近い形とし、前記検出素子上の前記反射光のスポットの幅を前記検出素子のＮ×Ｎ（Ｎ≧３）に分割された間隔幅(セル間隔）とほぼ同じとし、分割した検出素子の（ｉ，ｊ），（ｉ＋１，ｊ），（ｉ，ｊ＋１），（ｉ＋１，ｊ＋１）番目（ｉ＝１，・・・，Ｎ），（ｊ＝１，・・・，Ｎ）の光電流を計算することで、（ｉ，ｊ）番目の分割された検出素子の位置から角度を検出することを特徴とする。
前記検出素子を前記レンズの光軸上で移動する位置調整機構を備えることにより、検出素子上のスポット・サイズを制御することで、自由に感度と測定範囲を選択することができる。前記光源からの光ビームを四角形又はそれに近い形とすることで、円形のスポットを使用した場合よりも線形誤差を低減し、角度検出精度を向上することができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
本発明では、検出感度および精度を高めるために、図１の試料面１１０とスクリーン１７０の間にコリメート・レンズを入れ、オートコリメーションの原理による角度検出を行う。この構成を図２に示す。
図２に示すように、試料面１１０をコリメート・レンズ１３０の焦点位置に置くと、試料面傾斜とスクリーン上の光点座標との関係はレンズの焦点距離ｆのみに依存することになり、傾斜検出精度は向上できる。この場合のＸ軸，Ｙ軸回り傾斜角の変化Δα，Δβは次式のように表される。
【数２】

このとき、オートコリメータ・レンズの焦点付近に置かれるフォトダイオードの光軸上における位置を調整することによって，フォトダイオード上の光スポットのサイズを制御することができる。それによって、自由にセンサの分解能及び測定範囲を選択できる。また、センサのコンパクト化のために焦点距離の短いオートコリメータ・レンズを利用しても、高い角度検出分解能が実現できる。
さて、シリコン・ウエハ等の平坦度の測定に用いる２次元角度センサの場合を考えると、角度センサの出力には、試料面の形状変化による傾斜成分と走査案内（スピンドルとスライダ）の姿勢変化が含まれる。両者とも非常に小さいと考えられるため、スクリーンの位置に置く２次元角度センサを高感度なものにする必要がある。
【０００６】
オートコリメーション方式による２次元傾斜角検出の感度は、レンズの焦点距離とスクリーン上光点の２次元位置検出感度によって決まる。角度センサのコンパクト化の観点からは、レンズの焦点距離をなるべく短くするのが望ましいので、角度検出感度を向上させるには、光点位置検出感度の高い受光素子を利用する必要がある。
２次元光点位置検出には、２次元半導体位置検出素子（２Ｄ ＰＳＤ）が最も一般的に用いられる（図２の２Ｄ ＰＳＤ１２０）。
２次元ＰＳＤの受光面の幅をＸＹ方向共にＬ_Ｐとし、それによって検出される光スポットの２次元位置をΔｘ，Δｙとすると、Δｘ，ΔｙはＰＳＤの光電流出力Ｉ_Ｘ１，Ｉ_Ｘ２，Ｉ_Ｙ１，Ｉ_Ｙ２によって計算される２次元ＰＳＤのＸ，Ｙ出力ｘ_{ｏｕｔ＿ＰＳＤ}，ｙ_{ｏｕｔ＿ＰＳＤ}から、次のように求めることができる。
【数３】

以上の式から分かるように、ｘ_{ｏｕｔ＿ＰＳＤ}／Δｘ（又は、ｘ_{ｏｕｔ＿ＰＳＤ}／Δβ）及びｙ_{ｏｕｔ＿ＰＳＤ}／Δｙ（又はｙ_{ｏｕｔ＿ＰＳＤ}／Δα）で定義される２次元ＰＳＤの位置検出感度は、主に受光面の幅によって決まる。位置検出感度は受光面の幅に反比例するため、短い受光面幅のほうが高感度化に有利である。オートコリメータ・レンズ（対物レンズ）の焦点距離を４０ｍｍとした場合、０．０１秒の試料面の傾斜Δα（又はΔβ）に対応するＰＳＤ上のスポット移動量Δｙ（又はΔｘ）は４ｎｍと非常に小さい。要求されるセンサの角度分解能を０．０１秒とし、センサのダイナミックレンジ（測定範囲と分解能との比）を１００００とすると、必要な受光面幅が約４０μｍまでとなる。それ以上の受光面幅が角度分解能を低下させる。しかし、市販のＰＳＤの受光面幅は数ｍｍオーダになっており、市販ＰＳＤの角度分解能は要求される角度分解能より約１００倍も低いことになる。
【０００７】
さて、２次元角度センサの受光素子として利用可能なものに、２×２の４分割フォトダイオード（ＱＰＤ）がある。図３にその構成を示している。
図３において、レーザ・ダイオード・ユニット１４０からのレーザ・ビームは、ビーム径より小さい四角形の開口部を有するスリット板１４６を通って四角形となり、偏光ビーム・スプリッタ（ＰＢＳ），１／４λプレートを介して、試料面に四角形又はそれに近い形状の光スポットとして入射する。このレーザ・ビームによる光スポットは、試料面１１０で反射して、１／４λプレートを介して偏光ビーム・スプリッタ（ＰＢＳ）１５０で直角に光路を変え、レンズ１３０の焦点付近に設置されている２次元位置検出素子に入射する。
図３の拡大図に示すように、本発明の実施形態においては、４分割ＰＤを対物レンズの焦点位置から若干ずれたところに置いて、ＰＤ上のスポットの幅をＤ_Ｐとする。図３の構成では、光スポット１４５の形状を四角とし、スポットの強度分布を均一とする。４分割ＰＤの２次元出力を次のように求めることができる。なお、実施形態では、レーザユニット１４０の円形の光ビームの光路にビーム径よりも小さい、四角あるいはそれに近い形の開口を有する板１４６を入れることによって、円形の光ビームを四角形あるいはそれに近い形に変えている。
【数４】

ここではＩ_１，Ｉ_２，Ｉ_３，Ｉ_４は４分割ＰＤのそれぞれのセルからの光電流出力である。
この式（７），（８）から、ＰＤを用いたときの検出感度はスポットのサイズに反比例することが分かる。スポットのサイズは、オートコリメーション・ユニット光軸上の４分割ＰＤの位置の関数になっているため、その光軸上の位置を位置調整機構１２９で調整し、スポットのサイズを調整することによって、自由に測定範囲と分解能を変えることができる。この方法を使って、極めて高い角度感度を得ることができる。
図３に示すように、４分割ＰＤ上のスポットを四角あるいはそれに近い形にすることによって、通常の光ビームから得られる丸いスポットの場合より、センサの出力の線形性を高めることができる。丸いスポットの場合は、式（７）（８）の関係は非線形になる。
４分割ＰＤを利用すれば、丸いスポットの場合でも直線性は落ちるものの、ＰＤの光軸上における位置を焦点位置の付近で微調整することによって、レンズの焦点距離に依存せずに、きわめて高い感度を実現することができる。
光ビームを四角形あるいはそれに近い形とする場合は、光ビーム径より小さい開口を用いているので、レーザ・ダイオード・ユニットから出た平行光の中心部のみを使うことになるため、光ビームの強度分布がより均一となり、センサ出力の線形性向上に有利である。さらに、開口部での光回析の影響を低減するために、四角形開口のコーナ部を丸くしてもよい。
なお、光ビームを四角形あるいはそれに近い形状とすることは、開口部１４６を用いず、レーザ・ダイオード・ユニット内部で行うこともできる。
【０００８】
上述では、４分割ＰＤ（図４（ａ）参照）を用いて２次元角度センサを構成している場合で説明したが、図４（ｂ）に示すように、多数（例えば２０×２０）に分割したフォトダイオードを用いることにより、ダイナミックレンジを大幅に向上させることができる。以下にこれについて詳しく説明する。
図４（ｂ）に示すように、多分割型ＰＤはＮ×Ｎ（Ｎが２より大きい）の四角形のＰＤセルからなる。セルのピッチ（セル間隔）をＸ，Ｙ方向ともＣ_ｐとする。また，図のようにＸ方向にｉ＝１，２，・・・，Ｎ，Ｙ方向にｊ＝１，２，・・・，Ｎと番号を付ける。スポットが図に示すようにセル（ｉ，ｊ），（ｉ，ｊ＋１），（ｉ＋１，ｊ），（ｉ＋１，ｊ＋１）に跨ったときの場合を考える。図のようにセル（１，１）を原点としたときのスポットのＸ，Ｙ方向位置をそれぞれΔＸ，ΔＹとし，それに対応する角度変化をΔα_１，Δβ_１とする。それらを次の式により表すことができる。
【数５】

ここで、ｉ＝１，２，・・・，Ｎ，ｊ＝１，２，・・・，Ｎ，Ｎ＞＝２であり、Δｘ，Δｙはセル（ｉ，ｊ）を原点としたときのスポットのＸ，Ｙ方向位置で、Δα，Δβはそれに対応する角度である。Δｘ，Δｙ及びΔα，Δβは、それぞれセル（ｉ，ｊ），（ｉ，ｊ＋１），（ｉ＋１，ｊ），（ｉ＋１，ｊ＋１）の光電流出力から次のように求めることができる。
【数６】

ここで、ｉ＝１，２，・・・，Ｎ，ｊ＝１，２，・・・，Ｎであり、Ｉ_{ｉ，ｊ＋１}，Ｉ_{ｉ＋１，ｊ＋１}，Ｉ_{ｉ＋１，ｊ}，Ｉ_ｉ，ｊはそれぞれセル（ｉ，ｊ＋１），（ｉ＋１，ｊ＋１），（ｉ＋１，ｊ），（ｉ，ｊ）の光電流出力である。また，Ｄ_ｐは光スポット幅で，セル間隔Ｃ_ｐとほぼ同じに設定する。
このようにして，式（１１），（１２）で決まる高い分解能を維持したまま、式（９）（１０）に示すように，測定範囲及びダイナミックレンジをＮ／２倍拡大することができる。
【０００９】
【実施例】
図５に実際に作成した、図４と同じ構成で光ビームを円形とした場合の２次元角度センサを示す。図５において、波長が７８０ｎｍの半導体レーザ１４０が光源として用いられている。光源から出た光は直径１ｍｍの平行ビームにコリメートされる。ユニットをコンパクトにするために、対物レンズ１３０を焦点距離が４０ｍｍのアクロマチック・レンズにした。受光素子は４分割ＰＤ１２８を用いて２次元検出を行う。試料面からの反射光は対物レンズを通った後４分割ＰＤに入る。センサはサイズが９０（Ｌ）ｘ６０（Ｗ）ｘ３０（Ｈ）ｍｍのコンパクトな設計になっている。
図６に、図５に示した４分割ＰＤを用いた２次元角度センサの校正結果の一例を示す。角度検出感度が高くなるように、４分割ＰＤの光軸上における位置を調整した。分解能が０．０５秒のニコン製光電式オートコリメータを校正基準として用いた。計測では、試料１１０が手動傾斜ステージに載せられ、それぞれＸ軸回りとＹ軸回りの傾斜ができるようになっている。試料面の傾斜を同時に試作のセンサとニコン・オートコリメータで計測し、校正結果とした。図６では、横軸は単位が秒のニコン・オートコリメータの読みで、縦軸は式（７），（８）で定義されるセンサの出力で、単位はパーセンテージである。Ｘ方向出力はＹ軸回りの傾斜（Δβ）に対応し、Ｙ方向出力はＸ軸回りの傾斜（Δα）に対応している。図から分かるように、角度センサは範囲が約２００秒の２次元傾斜を検出できる。
【００１０】
以下に、本発明についての特徴を述べる。
１．センサのコンパクト化のために焦点距離の短いオートコリメータ・レンズを利用して、高い角度検出分解能が実現できる。
また、オートコリメータ・レンズの焦点付近に置かれるフォトダイオードの光軸上における位置を調整することによって、フォトダイオード上の光スポットのサイズを制御することで、センサの分解能及び測定範囲を変えることができる。
それによって、自由にセンサの分解能及び測定範囲を選択できる。
２．４分割フォトダイオードに入射する光スポットの形を円形から四角形又はそれに近い形に変えることで、センサの出力の線形性が向上し、精度が向上する。
３．実施例の４つの四角形セルからなる２×２の４分割フォトダイオードを、多数に分割されたＮ×Ｎ（たとえば２０×２０）の多素子にすることでダイナミックレンジを大幅に向上させることができる。
【００１１】
【発明の効果】
上述するように、本発明により、高精度で小型の２次元角度センサを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の２次元角度センサの構成を示す図である。
【図２】本発明の２次元角度センサの基本的構成を示す図である。
【図３】実施形態の２次元角度センサの構成を示す図である。
【図４】２次元角度センサに用いるフォトダイオードの受光部を示す図である。
【図５】実施例の２次元角度センサの構成例を示す図である。
【図６】実施例の２次元角度センサの出力を校正した結果を示す図である。
【符号の説明】
１１０ 試料面
１２８ ４分割フォトダイオード（ＱＰＤ）
１２９ ＱＰＤ位置調整機構
１３０ コリメート・レンズ
１４０ レーザ・ユニット
１４２ レーザ・ビーム
１４４ 光軸
１４５ 光スポット
１４６ 四角形の開口部を有する板
１５０ 偏光ビーム・スプリット（ＰＢＳ）
１５２ １／４波長板
１７０ スクリーン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a two-dimensional angle sensor.
[0002]
[Technical background]
Surface shape measurement is an important issue for large mirrors for X-rays, large liquid crystal panels, silicon wafers, and the like.
For example, as semiconductor devices that support the multimedia society become more sophisticated and lower in price, the diameter of silicon wafers, the main material of semiconductor devices, is steadily shifting from the current 200 mm diameter to 300 mm diameter. is there. In order to cope with the mass production of 4GDRAM, the next generation 400 mm diameter silicon wafer is expected to become mainstream in the second half of the 2000s, and research and development for establishing the manufacturing technology is proceeding at a rapid pace. However, the flatness required for this next-generation wafer is as high as about 0.1 μm, and there is an urgent need to develop a measurement technique for quickly evaluating it with high accuracy.
For the measurement of the planar shape and flatness, a highly accurate and small two-dimensional angle sensor is required.
[0003]
As shown in FIG. 1, the two-dimensional angle sensor detects a change in the two-dimensional tilt angle of the sample surface 110. Further, it is possible to detect the local inclination of the sample surface by narrowing the incident light beam. In this figure, the light source is not shown in order to simply show the principle. In order to detect a two-dimensional inclination, a method called a light lever shown in FIG. A laser beam 142 is incident on the sample surface 110 along the Z-axis direction. When the sample is tilted, the position of the light spot of the reflected light beam on the screen 170 changes according to the tilt angle. By detecting the coordinate changes Δx and Δy of the light spot, the inclination angle changes Δα and Δβ around the X and Y axes can be obtained from the following equations.
[Expression 1]

Here, L is the distance from the sample surface to the screen.
However, this method has a problem that an error occurs in the measurement result when the distance L from the sample surface to the screen changes.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a highly accurate and small two-dimensional angle sensor.
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is a two-dimensional device having a light source for projecting a light beam onto a detection target and a lens provided in the optical path of light reflected from the detection target by the light beam. In a two-dimensional angle sensor for detecting an angle, a detection element by a photodiode equally divided into N × N (N ≧ 3 ) provided in the vicinity of the focal point of the lens is provided, and the light beam from the light source is square or close thereto And the width of the spot of the reflected light on the detection element is substantially the same as the interval width (cell interval) divided into N × N (N ≧ 3 ) of the detection element, and (i , J), (i + 1, j), (i, j + 1), (i + 1, j + 1) th (i = 1,..., N), (j = 1,..., N) photocurrents are calculated. Thus, from the position of the (i, j) -th divided detection element, And detecting a degree.
By providing a position adjustment mechanism for moving the detection element on the optical axis of the lens, the sensitivity and measurement range can be freely selected by controlling the spot size on the detection element. By making the light beam from the light source square or close to it, linear errors can be reduced and angle detection accuracy can be improved as compared with the case of using a circular spot.
[0005]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
In the present invention, in order to increase the detection sensitivity and accuracy, a collimator lens is inserted between the sample surface 110 and the screen 170 in FIG. 1 to perform angle detection based on the principle of autocollimation. This configuration is shown in FIG.
As shown in FIG. 2, when the sample surface 110 is placed at the focal position of the collimating lens 130, the relationship between the sample surface inclination and the light spot coordinates on the screen depends only on the focal length f of the lens. Detection accuracy can be improved. In this case, the changes Δα and Δβ in the inclination angles around the X and Y axes are expressed as follows.
[Expression 2]

At this time, the size of the light spot on the photodiode can be controlled by adjusting the position on the optical axis of the photodiode placed near the focal point of the autocollimator lens. Thereby, the resolution and measurement range of the sensor can be freely selected. Even if an autocollimator / lens with a short focal length is used to make the sensor compact, high angle detection resolution can be realized.
Considering the case of a two-dimensional angle sensor used for measuring the flatness of a silicon wafer or the like, the output of the angle sensor includes an inclination component due to a change in the shape of the sample surface and a change in the attitude of the scanning guide (spindle and slider). included. Since both are considered to be very small, it is necessary to make the two-dimensional angle sensor placed at the screen position highly sensitive.
[0006]
The sensitivity of the two-dimensional tilt angle detection by the autocollimation method is determined by the focal length of the lens and the two-dimensional position detection sensitivity of the light spot on the screen. From the viewpoint of downsizing the angle sensor, it is desirable to shorten the focal length of the lens as much as possible. Therefore, in order to improve the angle detection sensitivity, it is necessary to use a light receiving element having a high light spot position detection sensitivity.
For the two-dimensional light spot position detection, a two-dimensional semiconductor position detection element (2D PSD) is most commonly used (2D PSD 120 in FIG. 2).
The width of the light receiving surface of the two-dimensional PSD and the XY direction both with _{L P,} when the two-dimensional position of the light spot detected thereby [Delta] x, and [Delta] y, [Delta] x, [Delta] y is the PSD photocurrent output _{I X1, I X2, I Y1,} the 2-dimensional PSD calculated by _{I Y2} X, Y output _{x out_PSD,} from _{y out_PSD,} can be obtained as follows.
[Equation 3]

As can be seen from the above formula, the position detection sensitivity of the two-dimensional PSD defined by x _{out_PSD} / Δx (or x _{out_PSD} / Δβ) and y _{out_PSD} / Δy (or y _{out_PSD} / Δα) mainly depends on the light receiving surface. It depends on the width. Since the position detection sensitivity is inversely proportional to the width of the light receiving surface, a shorter light receiving surface width is more advantageous for higher sensitivity. When the focal length of the autocollimator lens (objective lens) is set to 40 mm, the spot movement amount Δy (or Δx) on the PSD corresponding to the inclination Δα (or Δβ) of the sample surface for 0.01 seconds is 4 nm, which is very large. small. If the required angular resolution of the sensor is 0.01 seconds and the dynamic range of the sensor (ratio between the measurement range and the resolution) is 10,000, the required light receiving surface width is up to about 40 μm. More light-receiving surface width reduces the angular resolution. However, the light receiving surface width of a commercially available PSD is on the order of several millimeters, and the angular resolution of the commercially available PSD is about 100 times lower than the required angular resolution.
[0007]
A 2 × 2 quadrant photodiode (QPD) is available as a light receiving element of a two-dimensional angle sensor. FIG. 3 shows the configuration.
In FIG. 3, the laser beam from the laser diode unit 140 passes through a slit plate 146 having a square opening smaller than the beam diameter, becomes a square, and passes through a polarization beam splitter (PBS) and a 1 / 4λ plate. Then, it is incident on the sample surface as a light spot having a square shape or a shape close thereto. The light spot generated by the laser beam is reflected by the sample surface 110, changed the optical path at a right angle by the polarizing beam splitter (PBS) 150 through the ¼λ plate, and installed near the focal point of the lens 130 2. The light enters the dimension position detection element.
As shown in the enlarged view of FIG. 3, in the embodiment of the present invention, at a four-division PD from the focal position of the objective lens at slightly shifted, the width of the spot on the PD and D _P. In the configuration of FIG. 3, the shape of the light spot 145 is a square, and the intensity distribution of the spot is uniform. The two-dimensional output of the 4-partition PD can be obtained as follows. In the embodiment, the circular light beam is formed into a square shape or a shape close thereto by inserting a plate 146 having an opening having a square shape or a shape smaller than the beam diameter into the optical path of the circular light beam of the laser unit 140. It is changing.
[Expression 4]

Here, I ₁ , I ₂ , I ₃ , and I ₄ are photocurrent outputs from the respective cells of the quadrant PD.
From these equations (7) and (8), it can be seen that the detection sensitivity when the PD is used is inversely proportional to the spot size. Since the spot size is a function of the position of the quadrant PD on the optical axis of the autocollimation unit, the position on the optical axis is adjusted by the position adjustment mechanism 129, and the spot size is adjusted, Measurement range and resolution can be changed freely. Using this method, extremely high angular sensitivity can be obtained.
As shown in FIG. 3, the linearity of the output of the sensor can be improved by making the spot on the quadrant PD into a square or a shape close thereto, as compared with a round spot obtained from a normal light beam. In the case of a round spot, the relationship of equations (7) and (8) is non-linear.
If a quadrant PD is used, the linearity drops even in the case of a round spot, but by adjusting the position of the PD on the optical axis in the vicinity of the focal position, it is extremely high without depending on the focal length of the lens. Sensitivity can be realized.
If the light beam has a square shape or a shape close to it, the aperture is smaller than the diameter of the light beam, so only the central part of the parallel light emitted from the laser diode unit is used. The distribution becomes more uniform, which is advantageous for improving the linearity of the sensor output. Furthermore, in order to reduce the influence of light diffraction at the opening, the corner portion of the square opening may be rounded.
It should be noted that making the light beam into a square shape or a shape close thereto can also be performed inside the laser diode unit without using the opening 146.
[0008]
In the above description, the case where the two-dimensional angle sensor is configured using the four-divided PD (see FIG. 4A) has been described. However, as shown in FIG. 4B, a large number (for example, 20 × 20) is used. By using a divided photodiode, the dynamic range can be greatly improved. This will be described in detail below.
As shown in FIG. 4B, the multi-division PD is composed of N × N (N is larger than 2) square PD cells. The cell pitch (cell spacing) is C _{p in} both the X and Y directions. Further, as shown in the figure, i = 1, 2,..., N in the X direction, and j = 1, 2,. Consider a case where the spot extends over cells (i, j), (i, j + 1), (i + 1, j), (i + 1, j + 1) as shown in the figure. As shown in the figure, when the cell (1, 1) is the origin, the X and Y direction positions of the spot are ΔX and ΔY, respectively, and the corresponding angular changes are Δα ₁ and Δβ ₁ . They can be represented by the following formula:
[Equation 5]

Here, i = 1, 2,..., N, j = 1, 2,..., N, N> = 2, and Δx and Δy are obtained when the cell (i, j) is the origin. Δα and Δβ are angles corresponding to the X and Y positions of the spot. Δx, Δy and Δα, Δβ can be obtained from the photocurrent outputs of the cells (i, j), (i, j + 1), (i + 1, j), (i + 1, j + 1) as follows.
[Formula 6]

Here, i = 1, 2,..., N, j = 1, 2,..., N, and I _{i, j + 1} , I _{i + 1, j + 1} , I _{i + 1, j} , I _{i, j} are respectively This is the photocurrent output of the cells (i, j + 1), (i + 1, j + 1), (i + 1, j), (i, j). Further, D _p is a light spot width, set the cell spacing C _p about the same.
In this way, the measurement range and dynamic range can be expanded N / 2 times as shown in equations (9) and (10) while maintaining the high resolution determined by equations (11) and (12).
[0009]
【Example】
FIG. 5 shows a two-dimensional angle sensor that is actually created and has the same configuration as that of FIG. In FIG. 5, a semiconductor laser 140 having a wavelength of 780 nm is used as a light source. The light emitted from the light source is collimated into a parallel beam having a diameter of 1 mm. In order to make the unit compact, the objective lens 130 is an achromatic lens having a focal length of 40 mm. The light receiving element performs two-dimensional detection using a quadrant PD128. The reflected light from the sample surface passes through the objective lens and then enters the quadrant PD. The sensor has a compact design with a size of 90 (L) x 60 (W) x 30 (H) mm.
FIG. 6 shows an example of the calibration result of the two-dimensional angle sensor using the quadrant PD shown in FIG. The position of the quadrant PD on the optical axis was adjusted so that the angle detection sensitivity was high. A Nikon photoelectric autocollimator with a resolution of 0.05 seconds was used as a calibration standard. In measurement, the sample 110 is placed on a manual tilt stage, and can be tilted about the X axis and the Y axis, respectively. The inclination of the sample surface was measured simultaneously with a prototype sensor and a Nikon autocollimator, and the result was calibrated. In FIG. 6, the horizontal axis is the Nikon autocollimator reading in seconds, the vertical axis is the sensor output defined by equations (7) and (8), and the unit is percentage. The X direction output corresponds to the inclination (Δβ) around the Y axis, and the Y direction output corresponds to the inclination (Δα) around the X axis. As can be seen, the angle sensor can detect a two-dimensional tilt with a range of about 200 seconds.
[0010]
The features of the present invention will be described below.
1. A high angle detection resolution can be realized by using an autocollimator lens with a short focal length in order to make the sensor compact.
In addition, by adjusting the position on the optical axis of the photodiode placed near the focal point of the autocollimator lens, the resolution and measurement range of the sensor can be changed by controlling the size of the light spot on the photodiode. it can.
Thereby, the resolution and measurement range of the sensor can be freely selected.
By changing the shape of the light spot incident on the 2.4-divided photodiode from a circular shape to a quadrangular shape or a shape close thereto, the linearity of the sensor output is improved and the accuracy is improved.
3. The dynamic range can be greatly improved by making the 2 × 2 quadruple photodiode of the four rectangular cells of the embodiment into a multi-element of N × N (for example, 20 × 20) divided into a large number. .
[0011]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to configure a small two-dimensional angle sensor with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a conventional two-dimensional angle sensor.
FIG. 2 is a diagram showing a basic configuration of a two-dimensional angle sensor of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a two-dimensional angle sensor according to the embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a light receiving portion of a photodiode used in a two-dimensional angle sensor.
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example of a two-dimensional angle sensor according to an embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating a result of calibrating the output of the two-dimensional angle sensor of the example.
[Explanation of symbols]
110 Sample surface 128 Four-division photodiode (QPD)
129 QPD position adjusting mechanism 130 Collimating lens 140 Laser unit 142 Laser beam 144 Optical axis 145 Optical spot 146 Plate 150 having square opening Polarized beam split (PBS)
152 1/4 wavelength plate 170 screen

Claims (1)

A light source for projecting a light beam on a detection target;
A two-dimensional angle sensor for detecting a two-dimensional angle having a lens provided in an optical path of reflected light from the detection target by the light beam;
A detection element using a photodiode equally divided into N × N (N ≧ 3 ) provided near the focal point of the lens,
The light beam from the light source is a square or a shape close thereto,
The width of the spot of the reflected light on the detection element is substantially the same as the interval width of the detection element divided into N × N (N ≧ 3 ),
(I, j), (i + 1, j), (i, j + 1), (i + 1, j + 1) th (i = 1,..., N), (j = 1,. A two-dimensional angle sensor that detects an angle from the position of the (i, j) th divided detection element by calculating a photocurrent of N).

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